weighted—-LR的理解与推广

Posted 2020-11-23 hellojamest

在YouTube团队推荐系统Rank阶段，DNN输出层使用了weighted—LR，这既是这篇论文的一大创新点，也是一大难点。在这里，重新梳理下该算法的思路与推导，并进行推广。

理解

先说下常见的逻辑回归（LR）模型。LR模型假设数据服从伯努利分布，当某件事情发生，认为其概率为p，则当其不发生，概率为1-p。
那么，其几率比（odds）为：
[ odds = frac{p}{1-p} ]

几率比（odds）：指一个事件发生的概率与不发生概率的比值。

对其求对数，并将对数几率记为输入特征值的线性表达式,可得
[ logit(frac{p}{1-p}) = w^Tx ]
那么有：
[ Odds = e^{w^Tx} ]
则概率(p)可推出为(logit)函数的反函数，也就是(sigmoid)函数了:
[ phi(x) = frac{1}{1+e^{-w^Tx}} ]

在短视频的CTR预估，一般的，点击发生的概率就是发生点击的视频个数/总共曝光的视频个数，假设发生点击的视频个数为M，总共曝光的视频个数为N，则(p)为：
[ p = frac{M}{N} ]
可得Odds为：
[ Odds = frac{frac{M}{N}}{frac{N-M}{N}} = frac{M/N}{1-M/N} ]

那么，如果我将正样本加上权重(w_i)，会发生什么？
正样本权重(w)的加入会让正样本发生的几率变成原来的(w)倍，也就是说样本(i)的Odds变成了下面的式子：
[ Odds(i) = frac{w_i * M/N}{1-w_i * M/N} = frac{w_i p}{1-w_i p} ]

注意：这里(N)的物理含有与之前的(N)已经不同了，之前代表的是总共曝光的视频个数，这里代表的是总共曝光的视频的权重和，但这并不影响后面的推导。

YouTube推荐中，关键在于正样本权重的选择，它使用了观看时长(T_i)作为权重，则由于在视频推荐场景中，用户打开一个视频的概率(p)往往是一个很小的值，因此上式可以继续简化：：
[ Odds(i) = w_i p = t_i p = E(T_i) ]
由于(p)就是用户打开视频的概率，(T_i)是观看时长，因此(T_i*p)就是用户观看某视频的期望时长。这个的好处就是，当进行Serving时，由于我们只关注相对位置，不关注绝对值，我们只需要计算Odds即可，也就是只需要计算$ e^{w^Tx}$，这样就转化成了根据观看某视频的期望时长进行排序。

那为什么不直接预测观看视频的期望时长呢？一个明显的好处就是，分类的问题一般都比回归问题易于求解，且预测准确率更高。另外，这里使用Weighted LR给我们的启示就是：具体算法一定要根据具体业务场景选择，深刻理解业务的通用性和特殊性，往往比技术更重要。

接下来的问题就是训练了，训练Weighted LR一般来说有两种办法：

• 将正样本按照weight做重复sampling，然后输入模型进行训练；
• 在训练的梯度下降过程中，通过改变梯度的weight来得到Weighted LR。

一般采用第二种方法，原因是减少了处理的样本数，减少了读样本时间和更新梯度的次数。

推广

在上面推导的过程中，一个很特殊的业务场景在于在视频推荐场景中，用户打开一个视频的概率(p)往往是一个很小的值，所以进行了简化。那么，当我们的业务中，概率(p)并不可以忽略，那么我们将如何优化呢？
在之前的场景中，负样本的权重为1，正样本的权重为(w_i)，实际上Odds为：
[ Odds(i) = frac{sum_i w_i * M_i/N}{sum_i Neg_i/N} = frac{sum_{i=1}^{N_{pos}} w_i}{sum_{i=1}^{N_{neg}} 1} = frac{sum_{i=1}^{N_{pos}} w_i}{N_{neg}} ]
上面是因为(p)概率足够小，也就是(N_{pos})相对(N_{neg})很小，所以上面可以近似为：
[ frac{sum_{i=1}^{N_{pos}} w_i}{N_{neg}} = frac{sum_{i=1}^{N_{pos}} w_i}{N_{neg}+N_{pos}} = frac{sum_{i=1}^{N_{pos}} w_i}{N} ]
当我们的场景中，概率(p)并不可以忽略，那么我们就要在分母项补上(N_{pos})的值。显然，我们可以在负样本中随机采样(N_{pos})的样本进行填充，即可达到我们的目的。

不得不说，YouTube的这篇推荐系统论文足够经典。每一个小点扩展开来都值得说道和推敲。另外，也说明了在实际落地中，业务理解的重要性。

参考：
揭开YouTube深度推荐系统模型Serving之谜